并聯(lián)電容器對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)的影響

， ， ，

(1.國電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京 211100； 2.南京國電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，江蘇 南京 211100；3.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

0 引 言

下面分析了電容器放電產(chǎn)生的諧振頻率與并聯(lián)電容器的選型關(guān)系，其諧振諧波分量對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流判據(jù)產(chǎn)生的影響，并應(yīng)用EMTDC進(jìn)行了仿真，提出了對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)涌流判據(jù)的建議。

1 并聯(lián)電容器側(cè)放電電流的分析

額定電抗率為并聯(lián)電容器中串聯(lián)電抗器的感抗和電容器組容抗的比值，即K=XL/XC，若系統(tǒng)諧波以n次諧波為主，則應(yīng)選取串聯(lián)電抗器感抗值XL使得：(nXL-XC/n)>0，即K>1/n2，例如當(dāng)系統(tǒng)主要諧波為5次及以上諧波時(shí)，K>4% ，當(dāng)系統(tǒng)主要諧波為3次諧波時(shí)，K>11%?？紤]到LC抑制回路的諧振頻率必須低于系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最低次諧波頻率以及低壓并聯(lián)電容器的容量在工作過程中會(huì)逐漸降低，使諧振點(diǎn)往上漂移[3]，所以為了取得一定的裕度，對(duì)于5次及以上諧波，取K>6%，對(duì)于3次諧波，取K>12%。6%和12%的電抗率也是目前并聯(lián)電容器選型中最常用的電抗率，工程上為了同時(shí)抑制上述諧波，也可采用以上兩種電抗率的電容器混用[2]。

(1)

其中，

(2)

若K=6%，則振蕩放電電流頻率約為基波頻率的4倍。

由此可以看到，變壓器低壓側(cè)區(qū)內(nèi)故障時(shí)，電容器振蕩放電電流流過低壓側(cè)開關(guān)TA，計(jì)入變壓器差動(dòng)保護(hù)電流中，從而使差流中的諧波含量增大。

環(huán)保節(jié)能方面，五建依托自身優(yōu)勢(shì)，在2011年開始試水土壤污染治理工程項(xiàng)目。至今已完成了北京廣華新城、北京焦化廠等兩個(gè)大型土壤修復(fù)項(xiàng)目，合同額近10億。今年，五建正在執(zhí)行天津石化土壤修復(fù)項(xiàng)目，合同額近2億元。近期五建還應(yīng)業(yè)主要求，快速應(yīng)對(duì)、妥善處置了數(shù)起惡性突發(fā)土壤污染事件。與此同時(shí)，五建與清華大學(xué)、華南理工、華東理工等高校和中科院南京土壤所、中石化大連院、中石化上海院、SEG技術(shù)研發(fā)中心等眾多科研機(jī)構(gòu)合作，聯(lián)合開發(fā)技術(shù)，探索“人才不為所有但為所用”的高端人才使用方式，不斷提升能力，已成為國內(nèi)領(lǐng)先的“技術(shù)集成、市場(chǎng)開發(fā)、項(xiàng)目執(zhí)行”土壤修復(fù)企業(yè)。環(huán)保節(jié)能業(yè)務(wù)也即將成為五建新的利潤增長(zhǎng)點(diǎn)。

圖1 系統(tǒng)接線圖

圖2 故障時(shí)刻等值電路圖

2 放電電流對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)的影響

目前變壓器保護(hù)應(yīng)用鑒別勵(lì)磁涌流的方法主要有2次諧波制動(dòng)原理[1]和波形對(duì)稱原理[4]。對(duì)于雙重化配置的變壓器保護(hù)，應(yīng)使用不同原理的涌流識(shí)別判據(jù)，工程上的常規(guī)配置基本是一套使用2次諧波原理，一套使用波形對(duì)稱原理。下面分別說明放電電流對(duì)兩種涌流識(shí)別原理的影響。

2.1 對(duì)諧波制動(dòng)原理的影響

諧波制動(dòng)原理是根據(jù)勵(lì)磁涌流中含有大量偶次諧波分量，其中又以2次諧波尤為明顯，利用差流中2次諧波的含量來識(shí)別勵(lì)磁涌流，

(3)

式中，I1、I2為差流中基波和2次諧波的幅值；K2為2次諧波制動(dòng)比的整定值。

同時(shí)為了防止變壓器差動(dòng)轉(zhuǎn)角或?yàn)V零計(jì)算中造成的2次諧波降低，一些保護(hù)還增加了3次諧波閉鎖功能。

式中，I1、I3為差流中基波和3次諧波的幅值；K3為3次諧波制動(dòng)系數(shù)。

當(dāng)并聯(lián)電容器的放電振蕩電流中含有大量2、3次諧波時(shí)，如并聯(lián)電容器電抗率為K=12%時(shí)，變壓器內(nèi)部故障時(shí)，并聯(lián)電容的振蕩頻率根據(jù)式(2)計(jì)算可知為ω=906.9 rad/s，這就增大差流中的3次諧波分量，可能造成諧波閉鎖判據(jù)閉鎖差動(dòng)保護(hù)。

2.2 對(duì)波形對(duì)稱涌流原理的影響

波形對(duì)稱涌流原理是利用差流導(dǎo)數(shù)(即對(duì)差流采樣點(diǎn)進(jìn)行差分)的前半波與后半波進(jìn)行對(duì)稱比較，根據(jù)比較的結(jié)果去判斷是否發(fā)生了勵(lì)磁涌流，對(duì)于對(duì)稱的定義為

(5)

將差流進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開得

(6)

差流對(duì)時(shí)間t進(jìn)行求導(dǎo)得

(7)

由式(6)可知，對(duì)于差流導(dǎo)數(shù)中的奇數(shù)頻分量為

(8)

而偶數(shù)頻分量為

(9)

根據(jù)式(8)、式(9)可知差流中的偶次諧波分量會(huì)增大式(5)計(jì)算得到的對(duì)稱KW值，判為波形不對(duì)稱，而奇次諧波分量通過式(5)計(jì)算的對(duì)稱KW為0?？梢钥吹讲ㄐ螌?duì)稱原理實(shí)際上是將差流中的奇次諧波分量作為對(duì)稱判別的動(dòng)作量，而偶次諧波分量作為對(duì)稱判別的制動(dòng)量，奇次諧波含量越高則波形越對(duì)稱，偶次諧波含量越高則波形越不對(duì)稱。

當(dāng)并聯(lián)電容器的放電振蕩頻率為偶次諧波時(shí)，如并聯(lián)電容器電抗率為K=6%時(shí)，變壓器內(nèi)部故障時(shí)，并聯(lián)電容的振蕩頻率根據(jù)式(2)計(jì)算可知ω=1 282.5 rad/s，這就增大了差流中的4次諧波分量，可能造成諧波閉鎖判據(jù)閉鎖差動(dòng)保護(hù)。

3 試驗(yàn)仿真

使用EMTDC建立并聯(lián)電容器的系統(tǒng)仿真模型，仿真系統(tǒng)如圖1，變壓器高低側(cè)短路阻抗為65%，低壓側(cè)電容器容量為主變壓器容量的30%，模擬K2點(diǎn)三相故障，分別取6%和12%兩種典型并聯(lián)電容器電抗率進(jìn)行仿真，研究對(duì)諧波制動(dòng)原理和波形對(duì)稱原理的影響。仿真步長(zhǎng)為50 μs，保護(hù)采樣頻率為1 000 Hz。

3.1 并聯(lián)電容器電抗率為6%

如表1所示，差流中4次諧波含量很高，其中B相4次諧波含量超過30%。圖4、5、6分別為220～400 ms時(shí)各采樣時(shí)刻波形對(duì)稱點(diǎn)數(shù)，在故障后200 ms內(nèi)各采樣時(shí)刻波形對(duì)稱的點(diǎn)數(shù)均小于5，波形對(duì)稱將閉鎖差動(dòng)保護(hù)。

圖3 變壓器低壓側(cè)故障差流波形(電抗率6%)

3.2 并聯(lián)電抗器電抗率為12%

如表2所示，差流中3次諧波含量很高，其中B相3次諧波含量超過30%，目前變壓器保護(hù)的諧波整定門檻基本在15%～20%之間，所以含有3次諧波制動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)會(huì)延時(shí)動(dòng)作甚至是拒動(dòng)。

表1 差流各次諧波含量

圖4 故障后200 ms A相差流波形對(duì)稱點(diǎn)數(shù)(電抗率6%)

圖5 故障后200 ms B相差流波形對(duì)稱點(diǎn)數(shù)(電抗率6%)

圖6 故障后200 ms C相差流波形對(duì)稱點(diǎn)數(shù)(電抗率6%)

波形對(duì)稱分析如圖8、9、10，由于差流中奇次諧波含量很大，偶次諧波含量很小，因此各采樣時(shí)刻的波形對(duì)稱點(diǎn)數(shù)很多，電抗率為12%的并聯(lián)電容器對(duì)波形對(duì)稱原理并沒有影響。

圖7 變壓器低壓側(cè)故障差流波形(電抗率12%)

表2 差流各次諧波含量

圖8 故障后200 ms A相差流波形對(duì)稱點(diǎn)(電抗率12%)

圖9 故障后200 ms B相差流波形對(duì)稱點(diǎn)數(shù)(電抗率12%)

圖10 故障后200 ms C相差流波形對(duì)稱點(diǎn)數(shù)(電抗率12%)

4 結(jié) 語

對(duì)并聯(lián)電容器中電抗率選擇、系統(tǒng)故障時(shí)放電電流對(duì)變壓器保護(hù)的影響進(jìn)行了分析，得出了以下結(jié)論：①并聯(lián)電容器在系統(tǒng)故障時(shí)會(huì)形成振蕩放電回路，其振蕩頻率與電容器中電抗率有緊密的關(guān)系。②當(dāng)變壓器區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，并聯(lián)電容器的放電電流會(huì)計(jì)入差流，增大差流中的諧波含量。 ③放電電流會(huì)造成變壓器保護(hù)尤其是高阻抗變壓器保護(hù)中勵(lì)磁涌流判別元件誤閉鎖差動(dòng)保護(hù)，導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)延時(shí)動(dòng)作甚至拒動(dòng)。④考慮到3次諧波判據(jù)為2次諧波制動(dòng)判據(jù)的補(bǔ)充輔助判據(jù)，但在電容器12%電抗率情況下3次諧波會(huì)閉鎖差動(dòng)保護(hù)，建議在判為區(qū)內(nèi)故障時(shí)取消3次諧波閉鎖，只保留2次諧波閉鎖，防止差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)。⑤在電容器6%電抗率情況下，波形對(duì)稱原理會(huì)閉鎖差動(dòng)保護(hù)，建議在判為區(qū)內(nèi)故障時(shí)采用濾波算法濾除差流中含有的4次諧波，防止4次諧波增大而導(dǎo)致判為不對(duì)稱，防止差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)。

綜上所述，變壓器保護(hù)必須考慮并聯(lián)電容器放電電流的影響，采取措施提高差動(dòng)保護(hù)的可靠性。

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